Управляем точным положением двигателя постоянного тока через интернет

В этом уроке мы научимся управлять двигателем постоянного тока с помощью ПИД-регулятора через Интернет и Arduino Uno.

Комплектующие

Детали, используемые в этом проекте мы перечислим ниже.

• Двигатель постоянного тока с датчиком × 1
• Контроллер двигателя постоянного тока (PHPoC DC Motor Controller) × 1
• Шилд PHPoC WiFi Shield 2 для Arduino × 1
• Arduino Uno × 1

Как это устроено

Когда пользователь получает доступ к веб-странице PHPoC [WiFi] Shield из веб-браузера на смартфоне или ПК, между Arduino и веб-браузером будет установлено соединение WebSocket. Соединение WebSocket позволяет в реальном времени обмениваться данными между веб-браузером и Arduino без перезагрузки веб-страницы.

Когда пользователь поворачивает стрелку на веб-странице, угол поворота будет отправлен в Arduino. Arduino преобразует угол в эквивалентную позицию (единица измерения - импульс), а затем использует алгоритм ПИД (PID) для вращения двигателя постоянного тока на эквивалентную позицию.

Библиотека PID для Arduino можно скачать в нашем каталоге Библиотек по этой ссылке. Она также содержит функцию автонастройки для положения и скорости.

Расчет угол-позиция

Предположение:

• Разрешение инкрементного энкодера (количество на оборот): ENC_RESOLUTION
• Передаточное число: GEAR_RATIO

Сигнал от энкодера будет декодироваться контроллером двигателя постоянного тока. Контроллер двигателя постоянного тока действует как квадратурный декодер, который будет умножать в четыре раза (х4) число импульсов за оборот.

У нас есть:

• оборот <=> 360 градусов <=> ENC_RESOLUTION * GEAR_RATIO * 4
• угол <=> положение ( angle <=> position )

=> позиция = angle * ENC_RESOLUTION * GEAR_RATIO * 4/360

Мотор, который использовался, имеет:

• ENC_RESOLUTION = 13
• GEAR_RATIO = 100
• => position = angle * 13 * 100 * 4/360

(см. строку 68 кода Arduino ниже)

Соединение комплектующих

• Стек PHPoC Shield или PHPoC WiFi Shield на Arduino
• Контроллер стека постоянного тока PES-2604 на PHPoC Shield или PHPoC WiFi Shield
• Подключите клеммную колодку контроллера двигателя постоянного тока к двигателю постоянного тока и к источнику питания двигателя постоянного тока следующим образом:
• Клеммная колодка - провод VM <----> (+) - источник питания для двигателя постоянного тока
• Клеммная колодка - GND <----> (-) провод - источник питания для двигателя постоянного тока
• Клеммная колодка - провод M1 + <----> (+) - двигатель постоянного тока
• Клеммная колодка - провод M1- <----> (-) - двигатель постоянного тока
• (Необязательно) Подключите порт датчика контроллера двигателя постоянного тока к контакту датчика двигателя постоянного тока следующим образом:
  - Энкодер 1 - 5 В <----> Vcc - Энкодер двигателя постоянного тока
  - Энкодер 1 - GND <----> GND - Энкодер двигателя постоянного тока
  - Энкодер 1 - 1A <----> A фаза - Энкодер двигателя постоянного тока
  - Энкодер 1 - фаза 1B <----> B - Энкодер двигателя постоянного тока
  - Кодер 1 расположен в верхнем ряду порта датчика. Более подробно здесь

Изображения для проекта

Ниже вы можете скачать архив с изображениями или скачать их. Они пригодятся позже.

Веб-интерфейс

Ниже файл remote_dc.php - это файл, который содержит веб-интерфейс пользователя. Он должен храниться в PHPoC [WiFi] Shield. Чтобы загрузить файл в PHPoC [WiFi] Shield, выполните следующие действия:

• Скопируйте приведенный ниже код и сохраните его в файле remote_dc.php.
• Установите PHPoC Debugger
• Подключите PHPoC Debugger к PHPoC [WiFi] Shield с помощью кабеля micro-USB согласно следующей инструкции по ссылке.
• Обратите внимание, что Arduino должен быть включен.
• Загрузите файл remote_dc.php в PHPoC [WiFi] Shield согласно этой инструкции по этой ссылке.

В коде используются изображения, которые вы можете скачать выше.

<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
<title>PHPoC / <?echo system("uname -i")?></title>
<meta name="viewport" content="width=device-width, initial-scale=0.7">
<style>
body { text-align: center; background-color: whiite;}
canvas { 
	background: url(plate.png) no-repeat; 
	background-size: contain;}
}
</style>
<script>
var MIN_TOUCH_RADIUS = 20;
var MAX_TOUCH_RADIUS = 200;
var CANVAS_WIDTH, CANVAS_HEIGHT;
var PIVOT_X, PIVOT_Y;
var PLATE_WIDTH = 659.0, PLATE_HEIGHT = 569.0; // size of background image
var NEEDLE_WIDTH = 121, NEEDLE_HEIGHT = 492; // size of needle image
var RATIO;
var plateAngle = 0;
var needleImage = new Image();
var clickState = 0;
var lastAngle = 0;
var mouse_xyra = {x:0, y:0, r:0.0, a:0.0};
var ws;

needleImage.src = "needle.png";

function init() {
	CANVAS_WIDTH = window.innerWidth - 50;
	CANVAS_HEIGHT = window.innerHeight - 50;
	
	if(CANVAS_WIDTH < CANVAS_HEIGHT)
		CANVAS_HEIGHT = CANVAS_WIDTH;
	else
		CANVAS_WIDTH = CANVAS_HEIGHT;
	
	PIVOT_X = CANVAS_WIDTH/2;
	PIVOT_Y = CANVAS_HEIGHT/2;
	
	RATIO = CANVAS_WIDTH / PLATE_WIDTH;
	
	NEEDLE_WIDTH = Math.round(NEEDLE_WIDTH * RATIO);
	NEEDLE_HEIGHT = Math.round(NEEDLE_HEIGHT * RATIO);
	
	var canvas = document.getElementById("canvas");

	canvas.width = CANVAS_WIDTH;
	canvas.height = CANVAS_HEIGHT;

	canvas.addEventListener("touchstart", mouse_down);
	canvas.addEventListener("touchend", mouse_up);
	canvas.addEventListener("touchmove", mouse_move);
	canvas.addEventListener("mousedown", mouse_down);
	canvas.addEventListener("mouseup", mouse_up);
	canvas.addEventListener("mousemove", mouse_move);

	var ctx = canvas.getContext("2d");

	ctx.translate(PIVOT_X, PIVOT_Y);

	rotate_plate(0);

	ws = new WebSocket("ws://<?echo _SERVER("HTTP_HOST")?>/remote_dc", "text.phpoc");
	document.getElementById("ws_state").innerHTML = "CONNECTING";

	ws.onopen  = function(){ document.getElementById("ws_state").innerHTML = "OPEN" };
	ws.onclose = function(){ document.getElementById("ws_state").innerHTML = "CLOSED"};
	ws.onerror = function(){ alert("websocket error " + this.url) };

	ws.onmessage = ws_onmessage;
}
function ws_onmessage(e_msg) {
	e_msg = e_msg || window.event; // MessageEvent

	plateAngle = Number(e_msg.data);
	rotate_plate(plateAngle);
}
function rotate_plate(angle) {
	var canvas = document.getElementById("canvas");
	var ctx = canvas.getContext("2d");

	ctx.clearRect(-PIVOT_X, -PIVOT_Y, CANVAS_WIDTH, CANVAS_HEIGHT);
	ctx.rotate(-angle / 180 * Math.PI);
	ctx.drawImage(needleImage, 0, 0, needleImage.width, needleImage.height, -NEEDLE_WIDTH/2, -NEEDLE_HEIGHT/2, NEEDLE_WIDTH, NEEDLE_HEIGHT);
	ctx.rotate(angle / 180 * Math.PI);

	debug = document.getElementById("debug");
	debug.innerHTML = plateAngle.toFixed(1);
}
function check_update_xyra(event, mouse_xyra) {
	var x, y, r, a;
	var min_r, max_r, width;

	if(event.touches) {
		var touches = event.touches;

		x = (touches[0].pageX - touches[0].target.offsetLeft) - PIVOT_X;
		y = PIVOT_Y - (touches[0].pageY - touches[0].target.offsetTop);
	}
	else {
		x = event.offsetX - PIVOT_X;
		y = PIVOT_Y - event.offsetY;
	}

	/* cartesian to polar coordinate conversion */
	r = Math.sqrt(x * x + y * y);
	a = Math.atan2(y, x);

	mouse_xyra.x = x;
	mouse_xyra.y = y;
	mouse_xyra.r = r;
	mouse_xyra.a = a;

	if((r >= MIN_TOUCH_RADIUS) && (r <= MAX_TOUCH_RADIUS))
		return true;
	else
		return false;
}
function mouse_down() {
	if(event.touches && (event.touches.length > 1))
		clickState = event.touches.length;

	if(clickState > 1)
		return;

	if(check_update_xyra(event, mouse_xyra)) {
		clickState = 1;
		lastAngle = mouse_xyra.a / Math.PI * 180.0;
	}
}
function mouse_up() {
	clickState = 0;
}
function mouse_move() {
	var angle, angleOffset;

	if(event.touches && (event.touches.length > 1))
		clickState = event.touches.length;

	if(clickState != 1)
		return;

	if(!check_update_xyra(event, mouse_xyra)) {
		clickState = 0;
	} else {

		angle = mouse_xyra.a / Math.PI * 180.0;

		if(angle < 0.0)
			angle = angle + 360.0;

		angleOffset = angle - lastAngle;
		lastAngle = angle;

		if(angleOffset > 180.0)
			angleOffset = -360.0 + angleOffset;
		else
		if(angleOffset < -180.0)
			angleOffset = 360 + angleOffset;

		plateAngle += angleOffset;
		rotate_plate(plateAngle);

		if(ws != null & ws.readyState == 1)
			ws.send(plateAngle.toFixed(4) + "\r\n");
	}
	event.preventDefault();
}
window.onload = init;
</script>
</head>

<body>
<h2>

Arduino - DC Motor Position Control<br><br>
<canvas id="canvas"></canvas>
<p>
WebSocket : <span id="ws_state">null</span><br>
Angle : <span id="debug">0</span>
</p>
</h2>
</body>

</html>

Код Ардуино

Это код Arduino, который работает в бесконечном цикле.

#include <Phpoc.h>
#include <PhpocExpansion.h>
#include <Pid.h>

PhpocServer server(80);
DcMotorPID dcPid1(1, 1);
long targetPosition;

void setup(){
	Serial.begin(9600);
	while(!Serial)
		;

	//Phpoc.begin(PF_LOG_SPI | PF_LOG_NET);
	Phpoc.begin();
	server.beginWebSocket("remote_dc");

	Serial.print("WebSocket server address : ");
	Serial.println(Phpoc.localIP());

	Expansion.begin(460800);

	dcPid1.setPeriod(10000);
	dcPid1.setEncoderPSR(64);
	dcPid1.setDecay(0);
	dcPid1.setFilterFrequency(5000);
	dcPid1.setScaleFactor(5); // depending on motor, should test manually to have the best value 
	dcPid1.setIntegralLimit(-2000, 2000);
	dcPid1.begin(PID_POSITION);

	/*----------- check enc pol-------------- */
	int pwm = 0; long pos = 0;
	while(!pos)
	{
		pwm += 10;
		dcPid1.setWidth(pwm);
		pos = dcPid1.getEncoderPosition();
		delay(1);
	}

	if(pos < 0)
		dcPid1.setEncoderPolarity(-1);

	dcPid1.setWidth(0);

	//dcPid1.setGain(24.099171193725, 10.78947680748, 0.0617886);

	/* PID auto-tuning */
	dcPid1.beginTune();
	while(!dcPid1.loopTune())
		;

	dcPid1.setEncoderPosition(0);

	Serial.print(F("PID TUNED Kp: "));Serial.println(dcPid1.getKp());
	Serial.print(F("PID TUNED Ki: "));Serial.println(dcPid1.getKi());
	Serial.print(F("PID TUNED Kd: "));Serial.println(dcPid1.getKd());
}

void loop(){
	PhpocClient client = server.available();

	if(client) {
		String data = client.readLine();

		if(data) {
			float targetAngle = data.toFloat();
			targetPosition = (long)(targetAngle / 360.0 * (13 * 100 * 4));
		}
	}

	long position = dcPid1.loop(targetPosition);

	//Serial.print(targetPosition);
	//Serial.print(" ");
	//Serial.println(position);
}

Итоговый результат

На этом всё.